例談微觀世界可視化的教學設計

陳洲

摘要：以《微粒的性質》的教學為例，從定量計算、實驗探究、圖像表征和體驗分析四個視角提供了教學設計片段和實驗設計，分析了微觀世界可視化的途徑和方式，努力實現微觀世界的可視化，培養學生的抽象思維能力，在宏觀與微觀之間架起橋梁。

關鍵詞：微粒的性質;可視化;定性與定量;數字化實驗

文章編號：1008-0546（2021）01-0057-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.015

“可視化”最初起源于西方詞匯“Visualization”，可以直譯為為圖像化，圖形化，使某樣東西能夠清晰的呈現。隨著信息技術、數字化試驗技術的飛速發展，知識可視化逐漸發展成了新的熱點。錢程、馬宏佳教授提出“從教學應用的角度看，知識可視化的實質是將抽象的知識、概念及過程以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的視覺表征，從而促進學習的發生、知識的傳播和創新”[1]。

九年級化學教材（上海教育出版社，教育部2012年審定）[2]第3章“構成物質的奧秘”知識比較抽象，學習內容集中在微觀世界，看不見、摸不著，對于許多學生來說是一個難點。因此，教師在組織學生學習的過程中，要精心設計學習環節，采取多種方式讓微觀世界在學生面前直觀呈現，化抽象為具體，實現微觀世界的可視化，培養學生的抽象思維能力，努力在宏觀與微觀之間架起橋梁。

一、通過定量計算實現微觀世界可視化

《微粒的性質》學習中，“微粒很小”教學片段設計如下：

[教師活動]（呈現資料卡）1滴水中，構成水的微粒（水分子）約有1.7x10²¹個，20滴水的總體積大約為1mL，請計算一個水分子的質量。

[學生活動]通過所給資料，計算每一個水分子的質量，并用科學計數法表示水的質量。

[教師活動]（呈現資料卡）一顆黃豆、一粒大米、一粒芝麻的質量。

[學生活動]比較一個水分子和它們的質量大小。

[師生共同活動]老師帶領學生將一個水分子質量的科學計數法結果展開，學生通過小數點后“0”的數目來進一步感受水分子的質量。

[學生活動]得出結論：微粒很小，小到肉眼看不到。

本教學片斷通過學生親自計算，得出一個水分子的質量大約在10^-26kg，讓學生在數字上初步感受到水分子非常小，再通過與一顆黃豆、一粒大米、一粒芝麻的質量大小的對比分析，感受一個水分子的質量遠遠小于宏觀的小顆粒物質。10^-26kg這樣的數字還不能明顯地促進學生對微粒大小的認識，因此教師帶領學生將這一科學計數法的數字鋪開，用小數點后“0”的數目讓學生驚嘆，進一步對水分子的渺小產生深刻的印象。通過定量計算，將微觀世界看不到的“小”用數字清晰地呈現在學生的面前。學生通過親身的體驗，減少了想象，感受了真實，增強了認識。

二、通過實驗探究實現微觀世界可視化

《微粒的性質》學習中，“微粒在不斷運動”教學片段設計如下：

[學生活動]分組實驗1：向燒杯A中加入20mL蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液，得到溶液甲，向溶液中慢慢滴加濃氨水[3]。

[教師活動]演示實驗2：如圖1，向燒杯C中加入20mL蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液，得到溶液甲。在燒杯B中加入3mL-5mL濃氨水，用一只大燒杯把B、C兩個燒杯罩在一起，觀察實驗現象[4]。

[學生活動]交流與討論：實驗1的目的是什么？通過實驗2可以得到什么結論？同時畫出氨分子的運動軌跡圖。

[教師活動]演示實驗3：如圖2所示，將氨水放人右邊的試管，酚酞試液加入左邊的試管，中間用橡皮導管連接起來，一套置于常溫下，另一套濃氨水放人熱水中，觀察現象。

[學生活動]觀察演示實驗，思考熱水的作用是什么？為什么要用兩套一樣的實驗裝置？

[師生合作活動]學生分析現象，基于現象得出初步結論，教師進行點撥和補充，得出微粒在不斷運動的結論。

此環節實驗1主要是讓學生了解氨水的性質——它可以使酚酞試液變紅。實驗2濃氨水和酚酞不接觸，但酚酞試液變紅了，說明氨氣分子從左邊燒杯中到了右邊的酚酞溶液中，再通過讓學生畫出氨分子的運動軌跡圖，證明微粒是在不斷運動的。實驗3通過常溫和熱水兩種溫度下的對比，學生真實地看到酚酞試液變紅的快慢，從而感受到溫度越高，微粒的運動越快。本教學片斷，通過實驗探究及對實驗現象的分析推理，讓學生真真切切地體會到了微粒是在不斷運動的。

三、通過圖像表征實現微觀世界可視化

在上述“微粒在不斷運動”教學片段中，通過實驗探究讓學生看到氨水分子會從一個燒杯運動到另一個裝有酚酞的燒杯中，使酚酞試液變紅，利用的是氨水易揮發，氨水顯堿性使酸堿指示劑變色的原理，主要涉及的是定性的分析。作為教師，尤其在復習課的教學中，還可以從定量的角度研究從圖像變化的視角來表征微粒的運動，實現微觀世界的可視化。

1.實驗原理

定量角度1：氨水揮發后進入另一裝置中的水中會呈現堿性，溶液的pH會逐漸升高，通過測定另一裝置中水的pH變化，就可以從定量角度分析氨分子運動的情況。

定量角度2：氨水揮發后進人使另一裝置中的水中后會生成一水合氨，一水合氨會電離產生NH4+和OH-，會使溶液的導電性發生改變，即電導率會發生變化。通過測定溶液的電導率變化，可以判斷溶液中是否揮發進了氨分子。

2.實驗裝置

要實現上述兩個定量的角度，可以采用數字化實驗來進行。數字化實驗是由傳感器、數據采集器和配套的軟件組成的定量采集物理、化學和生物等數據并能與計算機連接的實驗技術[ 5]。本實驗可以采用pH傳感器和電導率傳感器，通過感受到待測物的pH和電導率信息，并按照一定規律轉化成可用輸出信號，經數據采集器處理之后在屏幕上顯示并儲存在內存中[6]。利用數字化實驗探究微粒運動的實驗裝置如圖3所示。

3.實驗步驟

（1）檢查裝置氣密性，校準傳感器，設置好采集頻率、采集時間。

（2）按圖3連接裝置，關閉止水夾，在錐形瓶中裝入濃氨水，在三頸燒瓶中裝入水，滴人幾滴酚酞試液。

（3）點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，打開止水夾，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

4.實驗現象

三頸燒瓶中溶液變為紅色，電腦屏幕上的曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，隨著時間的推移，裝有水的三頸燒瓶中pH逐漸增大，說明氨水分子從錐形瓶中運動到了三頸燒瓶中，使溶液的堿性增強，這也是酚酞變紅的原因。同樣，隨著時間的推移，電導率也逐漸增大，溶液的導電性不斷增強，說明溶液中自由移動的離子逐漸增多，這也是氨水分子從錐形瓶中運動到三頸燒瓶中的有力證明。通過數字化實驗，不僅讓學生從直觀的現象上了解微粒在不斷運動的事實，更可以通過數據將微粒運動的證據表現出來，促進學生從定性分析走向定量分析。

四、通過體驗分析實現微觀世界可視化

《微粒的性質》學習中，“微粒間有空隙”教學設計片段如下：

[學生活動]動手體驗1：向一段封口的長玻璃管中先加水，使其到達玻璃管刻度的1/2，再加酒精到滿刻度，用手指堵緊開口的一端，顛倒數次，觀察混合前后體積變化情況、對比反應前后的質量情況。

動手體驗2：向一段封口的長玻璃管中先加酒精，使其到達玻璃管刻度的1/2，再加水到滿刻度，用手指堵緊開口的一端，顛倒數次，觀察混合前后體積變化情況、對比反應前后的質量情況。

[教師活動]引導學生分析：為什么顛倒數次后體積會縮小？為什么兩次加入液體順序不同體積減小不一樣？

[學生活動]基于自己的體驗，分析體積縮小可能的原因，得出微粒間有空隙的結論。

[學生活動]繼續新的體驗。動手體驗3：在平底燒瓶的上方套上一個氣球，水浴加熱平底燒瓶，觀察化學教與學2021年第1期氣球大小的變化情況（如圖6所示），感受微粒間空隙的變化情況。

動手體驗4：用注射器吸人一定量空氣，再用手指頂住注射器末端的小孔，將活塞慢慢推入和松開，感受推人和松開時的壓強，體悟微粒間空隙的變化情況。

[教師活動]引導學生分析微粒空隙變化情況、影響因素及如何影響的。

[學生活動]基于體驗的結果分析原因，得出同種物質在相同狀態時，溫度越高，微粒間空隙越大;壓強越大，微粒間空隙越小的結論。

本教學片斷的設計重在學生的親身體驗和推理分析，通過學生的體驗與分析，將微觀世界通過直觀的、看得見的現象呈現給學生，在微觀和宏觀之間建立聯系。體驗1和體驗2目的是通過酒精與水的混合實驗，從液體體積減小的視角來讓學生體驗微粒間是有空隙的。因為這個實驗在八年級物理時學生已經學過，因此，本節課進行了改進，增加改變實驗操作順序和測定液體質量，酒精與水都加人1/2體積，但是加入的順序不同，為什么最后搖晃后得到的空隙就不同呢？通過稱量質量，學生會發現，雖然最后相加都是一體積，但是加入順序不同造成的結果是加入兩種液體的質量是不一樣的，這可以充分說明微粒間不僅有空隙，而且各微粒間的空隙是不同的，不同的混合順序還會造成混合的結果有差異。體驗3和體驗4主要是通過從氣體體積縮小和增大的視角讓學生體驗微粒間空隙能增大和縮小以及溫度、壓強對微粒間空隙的影響。

《微粒的性質》是學生接觸微觀世界的啟蒙課，起著承上啟下的作用。教學中，教師要盡量將復雜問題簡潔化，將抽象問題具體化，將定性走向定量轉化的思想不斷滲透于教學中，讓學生用化學學科的研究思想去解決生活中的種種問題。微粒很小，看不見摸不著，但是數據是真實的，現象是直觀的，要讓學生能夠用宏觀的“大”數據、真實的現象變化，去勾勒“小小的”微觀世界。

參考文獻

[1]錢程，馬宏佳.知識可視化及其在初中化學教學中應用的化學教與學2021年第1期研究[J].化學教與學，2015（7）：2-5

[2][3][4]王祖浩主編，義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：10

[5]謝曉青，數字化傳感實驗與中學化學探究學習的整合[D].蘇州：蘇州大學，2014

[6]唐文偉.淺議DIS實驗教學在化學課改中的作用[J].化學教與學，2010（4）：69-70